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1、 光電傳感器特性分析摘要:隨著科技的發(fā)展,人類(lèi)越來(lái)越注重信息和自動(dòng)化,在日常的生產(chǎn)學(xué)習(xí)過(guò)程中,人們常常要進(jìn)行自動(dòng)篩選、自動(dòng)傳送,而為了實(shí)現(xiàn)這些,光電傳感發(fā)揮了不可磨滅的作用。光敏傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng),即光敏材料的電學(xué)特性因受到光的照射而發(fā)生變化。關(guān)鍵詞:光電效應(yīng)、光電傳感器、光敏材料一、 理論基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng)通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類(lèi)。外光電效應(yīng)是指在光照射下,電子逸出物體表面的外發(fā)射的現(xiàn)象,也稱(chēng)光電發(fā)射效應(yīng),基于這種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)是指入射的光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象,稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng),大多數(shù)光電控制應(yīng)用的傳感器,如光敏電阻、光敏二極管、光
2、敏三極管、硅光電池等都屬于內(nèi)光電效應(yīng)類(lèi)傳感器。1.外光電效應(yīng)光照在照在光電材料上,材料表面的電子吸收的能量,若電子吸收的能量足夠大,電子會(huì)克服束縛逸出表面,從而改變光電子材料的導(dǎo)電性,這種現(xiàn)象成為外光電效應(yīng)。根據(jù)愛(ài)因斯坦的光電子效應(yīng),光子是運(yùn)動(dòng)著的粒子流,每種光子的能量為hv(v為光波頻率,h為普朗克常數(shù)),由此可見(jiàn)不同頻率的光子具有不同的能量,光波頻率越高,光子能量越大。假設(shè)光子的全部能量交給光子,電子能量將會(huì)增加,增加的能量一部分用于克服正離子的束縛,另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律: 式中,m為電子質(zhì)量,v為電子逸出的初速度,w為逸出功。由上式可知,要使光電子逸出陰極表面的必要條
3、件是hv>w。由于不同材料具有不同的逸出功,因此對(duì)每一種陰極材料,入射光都有一個(gè)確定的頻率限,當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí),不論光強(qiáng)多大,都不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射,此頻率限稱(chēng)為“紅限”。相應(yīng)的波長(zhǎng)為 式中,c為光速,w為逸出功。2.內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照射到半導(dǎo)體表面時(shí),由于半導(dǎo)體中的電子吸收了光子的能量,使電子從半導(dǎo)體表面逸出至周?chē)臻g的現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)。利用這種現(xiàn)象可以制成陰極射線(xiàn)管、光電倍增管和攝像管的光陰極等。半導(dǎo)體材料的價(jià)帶與導(dǎo)帶間有一個(gè)帶隙,其能量間隔為Eg。一般情況下,價(jià)帶中的電子不會(huì)自發(fā)地躍遷到導(dǎo)帶,所以半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如導(dǎo)體。但如果通過(guò)某種方式給價(jià)帶中的電子提供能量,就可
4、以將其激發(fā)到導(dǎo)帶中,形成載流子,增加導(dǎo)電性。光照就是一種激勵(lì)方式。當(dāng)入射光的能量hEg( Eg為帶隙間隔)時(shí),價(jià)帶中的電子就會(huì)吸收光子的能量,躍遷到導(dǎo)帶,而在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴,形成一對(duì)可以導(dǎo)電的電子空穴對(duì)。這里的電子并未逸出形成光電子,但顯然存在著由于光照而產(chǎn)生的電效應(yīng)。因此,這種光電效應(yīng)就是一種內(nèi)光電效應(yīng)。從理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,要使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶,也存在一個(gè)入射光的極限能量,即E=h0=Eg,其中0是低頻限(即極限頻率0=Egh)。這個(gè)關(guān)系也可以用長(zhǎng)波限表示,即0=hcEg。入射光的頻率大于0或波長(zhǎng)小于0時(shí),才會(huì)發(fā)生電子的帶間躍遷。當(dāng)入射光能量較小,不能使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí),有
5、可能使電子吸收光能后,在一個(gè)能帶內(nèi)的亞能級(jí)結(jié)構(gòu)間(即圖1中每個(gè)能帶的細(xì)線(xiàn)間)躍遷。二、光電器件及其特性1.光敏電阻1)光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管,常用的制作材料為硫化鎘,另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長(zhǎng)的光照射下,其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電,在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng),電子奔向電源的正極,空穴奔向電源的負(fù)極,從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。2)光敏電阻的伏安特性測(cè)量圖1 光敏電阻伏安特性測(cè)試電路(1)按原理圖1連接好實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路,將光源用的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈和光敏電阻板置測(cè)試架中,電阻盒以及轉(zhuǎn)接盒插在九孔板中,電源由DH-VC3直流恒壓源提供。(
6、2)通過(guò)改變光源電壓或調(diào)節(jié)光源到光敏電阻之間的距離以提供一定的光強(qiáng),每次在一定的光照條件下,測(cè)出加在光敏電阻上電壓U為+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V時(shí)5個(gè)光電流數(shù)據(jù),即,同時(shí)算出此時(shí)光敏電阻的阻值。以后逐步調(diào)大相對(duì)光強(qiáng)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),進(jìn)行56次不同光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量。(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出光敏電阻的一組伏安特性曲線(xiàn)。光強(qiáng)(lx)UR(V)U(V)46.8315.710992688.95436.720.0560.2030.4040.6140.81040.1130.4120.8301.2511.64360.1740.6211.2451.8742.45780.2320.8311.6702.5
7、053.281100.2901.0402.0883.1394.103 由圖可知,在一定光強(qiáng)下,光敏電阻的光電流與光電壓成線(xiàn)性關(guān)系,隨電壓的增大二增大,并且,光強(qiáng)越大,其增長(zhǎng)越快。2、光敏二極管1)光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類(lèi)似的,其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié),具有單向?qū)щ娦?,因此工作時(shí)需加上反向電壓。無(wú)光照時(shí),有很小的飽和反向漏電流,即暗電流,此時(shí)光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時(shí),飽和反向漏電流大大增加,形成光電流,它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光線(xiàn)照射PN結(jié)時(shí),可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對(duì),使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移,使反向電流增加
8、。因此可以利用光照強(qiáng)弱來(lái)改變電路中的電流。2)光敏二極管的伏安特性測(cè)量圖2 光敏二極管特性測(cè)試電路(1)按原理圖2接好實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路,將光電二極管板置測(cè)試架中、電阻盒置于九孔插板中,電源由DH-VC3直流恒壓源提供,光源電壓012V(可調(diào))。(2)先將可調(diào)光源調(diào)至相對(duì)光強(qiáng)為“弱光”位置,每次在一定的照度下,測(cè)出加在光敏二極管上的反偏電壓與產(chǎn)生的光電流的關(guān)系數(shù)據(jù),其中光電流:(l.00K為取樣電阻R),以后逐步調(diào)大相對(duì)光強(qiáng)(56次),重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出光敏二極管的一組伏安特性曲線(xiàn)。光強(qiáng)(lx)UR(V)U(V)16.2109.4380.8931.71883.820.0090.0270
9、.0580.1020.16140.0090.0280.0590.1040.16560.0090.0290.0600.1070.17080.0090.0300.0610.1100.174100.0091.0310.0620.1130.179120.0091.0320.0630.1170.183 由圖可知,光電二極管的在一定光強(qiáng)下,其光電流保持一定值,并不隨光電壓得增大而增大。3.光敏三極管1) 光敏三極管和普通三極管相似,也有電流放大作用,只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制,同時(shí)也受光輻射的控制。 通常基極不引出,但一些光敏三極管的基極有引出,用于溫度補(bǔ)償和附加控制等作用。當(dāng)具有光敏特
10、性的PN 結(jié)受到光輻射時(shí),形成光電流,由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極,從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了相當(dāng)于倍的信號(hào)電流。不同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性,與光敏二極管相比,具有很大的光電流放大作用,即很高的靈敏度。2) 光敏三極管的伏安特性測(cè)量圖3 光敏三極管特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)(1)按原理圖3接好實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路,將光敏三極管板置測(cè)試架中、電阻盒置于九孔插板中,電源由DH-VC3直流恒壓源提供,光源電壓012V(可調(diào))。(2)先將可調(diào)光源調(diào)至相對(duì)光強(qiáng)為“弱光”位置,每次在一定光照條件下,測(cè)出加在光敏三極管的偏置電壓UCE與產(chǎn)生的光電流IC的關(guān)系數(shù)據(jù)。其中光電流(l.00K為取樣電阻R)。(3
11、)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出光敏三極管的一組伏安特性曲線(xiàn)。光強(qiáng)(lx)UR(V)U(V)16.2109.4380.8931.71883.820.1010.2050.8142.2484.56040.1140.3111.1022.8255.46960.1250.42613673.4036.73380.1380.5401.5044.0177.965100.1500.6501.7404.6059.236120.1610.7531.9765.21310.514 由圖可知,在較弱光強(qiáng)下,光明三極管的光電流并不隨光電壓變化,隨著光強(qiáng)的增大,其光電流在一定范圍內(nèi)隨著電壓的增大二增大,而后保持一定值不變。4.硅光電池1)
12、 硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,核心部分是一個(gè)大面積的PN 結(jié),把一只透明玻璃外殼的點(diǎn)接觸型二極管與一塊微安表接成閉合回路,當(dāng)二極管的管芯(PN結(jié))受到光照時(shí),你就會(huì)看到微安表的表針發(fā)生偏轉(zhuǎn),顯示出回路里有電流,這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。硅光電池的PN結(jié)面積要比二極管的PN結(jié)大得多,所以受到光照時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電流也大得多。2) 硅光電池的伏安特性測(cè)量圖4 硅光電池特性測(cè)試電路(1)實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路見(jiàn)圖4,電阻箱調(diào)到0。(2)先將可調(diào)光源調(diào)至相對(duì)光強(qiáng)為“弱光”位置,每次在一定的照度下,測(cè)出硅光電池的開(kāi)路電壓Uoc和短路電流IS,其中短路電流為(取樣電阻R為10.00)
13、,以后逐步調(diào)大相對(duì)光強(qiáng)(56次),重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出硅光電池的光照特性曲線(xiàn)。光強(qiáng)566.1LxR()471414701000USC(V)0.1730.1360.1030.052UR(V)0.0240.1070.4300.913 由圖可知,在光強(qiáng)一定時(shí),硅光電池的光電流隨著光電壓的增大先保持不變,后逐漸減小,且減小速度越來(lái)越快。二、 光電傳感器的應(yīng)用 光敏電阻可用于進(jìn)行光的測(cè)量和光的控制,測(cè)量方面主要是用于測(cè)量光強(qiáng),控制方面最常見(jiàn)的就是路燈控制和樓道感應(yīng)燈的控制,在電路接通的狀態(tài)下,路燈會(huì)隨著周?chē)鈴?qiáng)的變化而變化,樓道中的燈白天不亮晚上亮也利用了光敏電阻的對(duì)光的感應(yīng)特點(diǎn)。光敏電
14、阻還被應(yīng)用于海上導(dǎo)航,通常海上的浮標(biāo)用的就是光敏電阻作為航道燈的開(kāi)關(guān),到晚上光敏電阻阻值變小,接通控制電路,將燈打開(kāi);白天光敏電阻增大將控制電路斷開(kāi),關(guān)掉電燈。光敏管大體有開(kāi)關(guān)作用,環(huán)境光檢測(cè)作用,各種光線(xiàn)接收作用。在太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤控制中,做光電檢測(cè)用,接受太陽(yáng)光,校正方位。光敏二級(jí)管被應(yīng)用于收音機(jī)、電視、電腦等設(shè)備中,比如用LED發(fā)光二極光替代液晶顯示器背后的光源,能達(dá)到節(jié)能且穩(wěn)定的作用。光敏三極管可用來(lái)控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài),其主要原因是三極管對(duì)光照強(qiáng)度十分敏感,可以根據(jù)根據(jù)光照強(qiáng)弱來(lái)控制電流大小,從而在繼電器的配合下控制開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。由于光敏管對(duì)光的敏感性很高,還可用于測(cè)量溫度,因?yàn)椴煌瑴囟鹊奈矬w輻射的光不同,以此可以間接測(cè)量溫度。此外,光敏三極管還可用于傳輸信號(hào),如光藕合器,光耦合器亦稱(chēng)光電隔離器,簡(jiǎn)稱(chēng)光耦,光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào),它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用,所以,它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。另外,紅光光敏管可用于測(cè)量紅外線(xiàn),這一點(diǎn)可用來(lái)做夜視儀硅光電池在日常生活中也是十分常見(jiàn)的,因?yàn)樗軐⒐饽苻D(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,像一些太?yáng)能發(fā)電板和太陽(yáng)能電池中就有硅光電池,被廣泛用于衛(wèi)星、太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能熱水器以及手機(jī)等。光電傳感器的用途很多很廣,還有一些等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)
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